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1、ThemeGallery PowerTemplate,1-1 信 号,国家“十二五”规划教材信号与系统,重点,难点,典型信号的时域描述及特点,冲激信号,内容安排,1-1-1 信号的特征和分类,1-1-3 信号的工程实例,1-1-2 典型信号运算,1-1-1 信号的特征和分类,根据自变量的特性和函数值来定义信号。,信号的分类： （1）按自变量划分： （2）按统计特性划分：,连续函数 离散函数,实值函数 复值函数,一维信号 二维信号 多维信号,确定性信号 随机信号,本书中，主要讨论确定性时间连续和时间离散信号。,1-1-2 典型信号运算,1. 基本时域操作： 三种最基本的时域信号运算：比例（或加权
2、）、时延和叠加运算。,（1）比例运算：,如果x(t)是一个模拟信号，比例运算将产生一个新的信号,其中,是常数。,（2）时延运算：,（3）叠加运算：,两个或两个以上信号的线性组合运算。,1-1-2 典型信号运算,2. 滤波： 滤波通常是指信号经过一个系统时允许某些频率成份无失真通过，同时滤除信号的其它频率成份的过程或操作。 信号无失真通过的频段定义为信号的通带，信号被滤除的频带定义为信号的阻带。通常，应用于模拟信号的滤波器是线性的且可以用一个积分（即后面将要讨论的卷积积分）来描述：,（1-1-1）,根据不同的需求，可划分为以下多种滤波器类型： 低通滤波器 、高通滤波器 、带通滤波器 、 带阻滤波
3、器 、陷波滤波器 、多频带滤波器,1-1-2 典型信号运算,3. 复信号的产生：,信号可分为实信号和复信号。 所有物理产生的信号都是实信号。 但在某些应用中，需要将实信号转换成复信号以便获取信号更为详尽的信息。 由于因果性的限制，可对实信号x(t)求其Hilbert变换，也就是使x(t)通过一个传输函数为的系统来求得这个信号的Hilbert变换。 具体变换过程在后续章节中详细介绍。,1-1-2 典型信号运算,4. 调制和解调信号：,在长距离信号传输中，传输媒介通常采用电缆、光缆（有线）或者大气（无线）等作为传输媒介。每种传输媒介针对不同频率的信号都存在一个能够有效传输信号的带宽。因此，为了通过
4、信道传输低频信号，首先必须利用调制技术把低频信号变换成高频信号。在信号的接收端，再对这种已调高频信号进行解调，经进一步处理后就可得到所需要的低频信号。 实用中一般采用四种模拟信号调制方法：幅度调制，频率调制，相位调制和脉冲幅度调制。其中，幅度调制概念上比较简单。,图1-1-2 幅度调制框图以及调制信号、载波信号和已调信号的波形,1-1-2 典型信号运算,图1-1-4 调制、解调过程框图,图1-1-5 调制、已调、解调和重构信号波形,1-1-2 典型信号运算,图1-1-6 已调信号的频谱,1-1-2 典型信号运算,5. 多路复用和信号分离,为了更有效的利用信道带宽，多路窄带低频信号经组合形成所谓
5、的复合宽带信号作为单一信号传输。这种信号的复合过程被称作多路复用（技术），它需保证在接收端能够恢复原始窄带低频信号。这种恢复过程被称作解复用或信号分离。,举例： 在电话系统中，一种可将不同语音信号复用的技术被称为频分多路（FDM）,图1-1-7 3路频分复用（FDMA）仿真模型,图1-1-7 3路频分复用（FDMA）仿真模型,是指将多种信息信息从一个地方传输到另一个地方。为了传输信息，通常需要一个在两地间建立联系的信道。信道可以是电话线、光纤、互联网络或大气等。在单一信道上能够传输的信息越多就越有效益。这就导致相应的信号分析及处理技术，如信号铃音的生成和检测、频带搬移、滤除电源线的交流干扰等等
6、的飞速发展。 简单讨论3个典型的例子：,1-1-3 信号的工程实例,1. 远程通信,多路技术：将模拟音频信号转化为数字数据码流，由于数据码流容易编码和解码，实现多路电话同时通过一根电线传输。例如所谓的T载波标准能够同时传输24路话音信号，每路信号采用8位压缩扩展（对数压缩）模-数转换算法，采样频率8000次/每秒，因此每路话音信号就有64，000比特/每秒，24路话音就包含1.544兆比特/每秒数据量。,1-1-3 信号的工程实例,1. 远程通信,压缩：可以用较低的比特率将话音信号转化为数据码流，这就是所谓的数据压缩算法。与之相对应的解压缩算法则从数据码流中恢复出原话音信号。总的说来，每秒64
7、K到32K的数据率不会导致话音质量的损失。当压缩到每秒8K时，声音将会受到影响，但是仍然可以接受。目前最高的可实现的压缩率已经低于每秒2K，尽管导致声音的严重失真，但仍然在军事和海底通信等方面有应用前景。,回声抑制：回声是长途电话通信中存在的一个严重问题。应用信号分析及处理技术通过测量回声信号并且发出一种合适的反相信号来抵消回声。同样的技术也允许免提电话能够在讲话的同时听电话，而没有刺耳的音频反馈（啸叫声）。这种技术还可以通过产生数字化的反相噪声来抵消或减少环境噪声。,1-1-3 信号的工程实例,2. 回声定位,要获得一个远处物体信息的常用方法是截获它的反射波信号。例如： 雷达发射射频脉冲信号
8、并且通过截获来自飞行器的反射波（回波）来探测目标。 声纳则通过声波信号在水中的传播来探测潜艇及其它水下物体。 地球物理学家通过人工引发爆炸后拾取来自地下深处岩层的回声信号。,雷达：在最简单的雷达系统中，一个无线电发射机发射一束毫秒级波长的射频能量脉冲信号。这一脉冲信号被馈入方向性极强的天线后向外辐射。在波束传播路径上若有飞行器，则有一小部分辐射能量会被反射回接收天线。根据发射脉冲信号和接收到的回波信号之间的时间差就可以计算出飞行器的距离。确定物体的方向则比较简单，事实上它就是收到回波时接收天线的指向。,1-1-3 信号的工程实例,2. 回声定位,声纳：分为两类：主动和被动声纳。在主动声纳中，2
9、KHz-40KHz的声波脉冲信号在水中被发射，同时对声波的回波信号进行检测和分析。通常情况下主动声纳的最大探测距离是10-100公里。其应用包括：探测并定位海下物体，导航，通信，绘制海底地形图等。相比之下，被动声纳只能监听水下的声音，如自然漩涡，海洋生物，潜艇和水面舰船所发出的机械声音。因为被动声纳不发射能量，这就意味着你能侦测到他人，却不被他人所发现，因此具有理想的隐蔽效果。被动声纳最重要的应用是军事监测，如探测并跟踪潜艇。被动声纳所用的信号频率比主动声纳的频率低，其作用范围可达几千公里。,1-1-3 信号的工程实例,2. 回声定位,地震波：这种信号产生于地震、火山喷发或地下核爆炸导致的岩石
10、移动所产生的波。地壳的移动产生由移动源向各个方向传播的三种基本弹性波信号，其中两种（速率不同的）波可以通过地壳传播，速度相对较快的波被称作纵波或P-wave，而速度稍慢的波被称作横波或S-wave。第三种波被称作表面波，它沿地表传播。,1-1-3 信号的工程实例,图像是具有特殊特征的信号。首先，它是空间（距离）参数的度量，而大多数信号是时间参数的度量。第二，它包含大量的信息，例如，一秒钟的电视视频图像需要超过10兆字节去存储，比同等长度的语音信号要大1000倍。第三，对图象质量的最终评判是由人的主观（眼睛）而不是由某种客观标准决定的。这些特点使得图像处理成为信号处理中的一个特殊分支。 图像处理
11、中的基本问题是图像的表示和建模，图像增强，图像复原，以及图像的重建，分析和编码等。,3. 图像处理,1-1-3 信号的工程实例,3. 图像处理,医学影象： 1895年，伦琴（Whihelm Conrald Rontgen）发现X射线能够穿透许多坚硬的物质，从而导致了医学的革命性变化。 1971年发明的计算机断层扫描技术（CT）使组织重叠问题得到了很好的解决，而CT是信号处理应用的一个经典范例。 磁共振成像（MRI）利用磁场信号和射频电波信号研究人体的内部。通过调整磁场（导致共振区位置改变）可以对全身进行扫描，从而得到比CT更为精细的身体内部影象。磁共振成像的实现完全依赖于信号处理技术，没有信号
12、处理技术，就不可能有MRI。,1-1-3 信号的工程实例,3. 图像处理,商业成像产品：图像系统所需处理的大量信息对要求面向大众的影象设备如数码相机、数码摄录机、DVD和高清晰度数字电视来说都是一个挑战。商用系统必须廉价，这就对大内存和高速数据转换器件的应用带来了限制。一种行之有效的解决方案就是采用图像压缩算法和技术。就像语音信号一样，图像信号中也包含着大量的冗余信息。对图像进行压缩处理能够极大地减轻传输、存储的负担从而降低产品的成本。,1-1-3 信号的工程实例,3. 图像处理,图像建模：一幅特定图像的每一个象素都代表着对象的某一确定的物理量，象素的特征被称作图像描述。可以根据图象类型及其应用定义各种图像模型。这些模型的建立可能还取决于感觉以及局部和全局的特征。图像处理所采用算法的类型和性能取决于我们所采用的图像模型。 图像增强：图像增强算法通常从视觉角度强调特定的图像特征以便改善图像的质量，或者从特征提取角度进行辅助分析图像。所用的算法包括边缘检测、对比度增减、锐化、线性和非线性滤波、图象缩放以及噪音滤除。 图象恢复：图象恢复技术用于消除或减少图象的污损，例如由系统引入的几何失真和模糊。图象重构涉及根据从不同角度获得的若干平面投影来推断一个三维物体的二维图象切片。通过建立连续的图象切片，就可以逐步展现一个给出其内部视图的三维图象。,
